Probing Variations of Newton's Constant in Strong Gravitational Fields

我们对宇宙理解的核心在于一个简单而静默的假设：自然界的规律不会改变。一个多世纪以来，物理学家一直基于这样一种信念进行研究，即引力的强度——这种维持行星轨道并让我们双脚着地的力量——是一个固定的数值。这个被称为牛顿引力常数的常数，被编织进广义相对论的结构之中，而该理论描述了空间和时间如何围绕质量巨大的物体发生弯曲。如果这个数字随时间发生哪怕极其微小的偏移，都将波及到关于恒星如何燃烧、星系如何形成以及宇宙如何膨胀的所有计算。虽然一些现代理论认为这些基本数值实际上可能是动态的，随着宇宙的演进而缓慢漂移，但证明这种变化极其困难。在地球上，引力拉力太弱，无法揭示细微的变化；而在广袤的太空之中，这种信号往往会被噪声所淹没。为了寻找这一基础中的裂缝，科学家们必须看向引力不仅存在、而且极其强大的地方。

在最近的一项研究中，研究人员将目光转向了一颗名为 G191-B2B 的白矮星，这是一种致密的、已死亡的恒星残骸，为测试这些理念提供了一个独特的实验室。这颗恒星极其紧凑，将类似于太阳的质量压缩在一个地球大小的球体中，这使得其表面的引力强度大约是我们在地球上所体验到的万倍。由 T. D. Le 领导的团队利用哈勃太空望远镜强大的“眼睛”，捕捉了该恒星在紫外光谱中的高分辨率图像。当光线从白矮星强烈的引力中逃逸时，它会损失能量并发生拉伸，这种现象被称为引力红移。通过检查白矮星大气中镍原子的特定指纹，科学家们可以精确测量出这种光线被拉伸了多少。他们将这些测量结果与地球实验室中测得的镍光精确波长进行对比，寻找任何可能暗示引力规律或原子性质随时间发生变化的微小差异。

研究人员重点关注了一百二十条不同的吸收线，这些线是由于镍原子吸收特定颜色的光而在恒星光谱中形成的暗带。在白矮星的极端环境下，这些谱线因周围气体的压力而变宽，团队仔细考虑了这一细节，以确保测量保持精准。他们将引力红移从其他运动（如恒星在空间中的运动）中分离出来，以观察剩余的偏移是否符合一个恒定宇宙的预测。结果是一次极其精确的测量，显示没有证据表明发生了变化。团队计算出，牛顿常数的变化率实际上为零，其值为负的 0.014 × 10⁻¹⁵ 每年，外加一个极小的误差范围。这一发现证实，即使在比地球强一万倍的引力场中，支配引力的基本常数依然保持稳定。

这一结论为那些提出引力随宇宙时间演化的理论设定了严格的限制。虽然以往使用月球激光测距或脉动恒星计时的方法已经设定了引力可能变化的界限，但那些方法是在较弱的引力场中运行，或者依赖于不同的物理机制。对 G191-B2B 的新分析探测了一个引力强度远为剧烈的领域，为检验物理定律是否真正具有普适性提供了更严苛的测试。数据表明，如果引力常数确实在变化，其变化速率也极其缓慢，以至于在目前的观测极限内，它与完全恒定是无法区分的。通过将他们的发现与连接引力与其他基本力的更广泛理论联系起来，研究人员证明了引力的稳定性即使在自然界所能提供的最极端条件下依然稳固。这项研究强化了这样一个观点：宇宙运行在一套稳定的规则之上，为我们理解宇宙提供了坚实的基础，同时也为许多预测引力常数会发生漂移的投机模型关上了大门。